專利名稱：利用位置敏感型檢測器檢測背散射輻射的密度分布測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用位置敏感型檢測器檢測背散射輻射的密度分布測量。
背景技術(shù)：
伽馬射線用于通過使用與伽瑪射線檢測器相對定位的伽瑪射線源測量容器中的流體的密度和水位。這些穿透伽瑪射線密度和水位測量在測量的物質(zhì)危險、極熱的情況下或者直接接觸測量不可能的情況下是有用的。另外，源和檢測器安裝在容器外部，并且不需要對容器進行修改。通過源發(fā)射的伽馬射線可以通過容器和容器中的物質(zhì)吸收或者被衰減。到達與源相對的檢測器的伽馬輻射的強度可以用于基于源的強度指示容器中的流體的密度或者水位。當測量流體水位時，例如，多個伽瑪射線發(fā)射器和/或檢測器可以定位在容器的相對側(cè)，其中有或者沒有信號(或者標稱低信號)可以指示源和檢測器之間的適當位置處有或者沒有流體。信號電平/無信號電平檢測器中的容器尺寸會比用于伽瑪射線密度計的尺寸大很多，如下所述，這是因為伽馬射線不容易被容器中的蒸氣吸收或者通過容器中的蒸氣衰減。對于流體密度，例如，通過伽瑪射線源和檢測器之間的流體可以吸收或者衰減由所述源發(fā)射的伽馬射線。高輻射計數(shù)表示低流體密度，而低計數(shù)表示高流體密度。然而，使用伽馬射線的穿透密度測量僅能夠用于限定的容器尺寸和/或流體密度。例如，對于相似尺寸的源，更高流體密度的流體可以吸收更多伽馬射線，因此導致更少伽馬射線到達檢測器。類似地，由于容器尺寸被增加，伽馬射線必須通過吸收伽馬射線的更大量的物質(zhì)(容器和流體)，從而導致更少伽馬射線到達檢測器。因此，依此方式的伽瑪射線密度測量當前僅能夠用于直徑達到大約I米的容器。用于穿透密度測量的伽馬射線當前使用的另一個缺點是固定尺寸檢測器所對著的立體角以及因此還有計數(shù)速率與容器的尺寸的平方成反比。計數(shù)速率n可以由以下公式近似表示:n Qed/A (e d/A) /d2 (I)其中n是計數(shù)速率，d是容器直徑，而\是取決于密度的吸收長度。對于固定尺寸檢測器，容器直徑d的增加導致計數(shù)速率的降低和更大的誤差率。因此，對于噪聲環(huán)境中的大型容器，這變得不能區(qū)分來自雜散背景信號的伽馬射線信號，因此，不能獲得有用信息。為克服厚度、尺寸和密度限制，可以增加伽瑪射線源的強度，因此使可測量量的伽馬射線到達檢測器。然而，成本、安全、多單元效率和可靠性中的每一個都可以限制可使用的源強度。例如，放射源的使用產(chǎn)生人員安全和環(huán)境的問題，并需要保護人員的鉛屏蔽或者鎢屏蔽、特殊的操作預(yù)防措施和設(shè)備以及處置和補救措施。此外，因為伽馬射線由點源而并不是定向源產(chǎn)生，所以當源的尺寸增加時，需要容納不同于通過容器的方向上的輻射的屏蔽的量必須增加，因此,進一步增加了成本。對于多單元效率，化工廠可能希望在多個容器上使用伽瑪射線液位計和密度計。然而，由于計量儀器的數(shù)量增加或者伽瑪射線源的強度增加以克服尺寸限制，可能出現(xiàn)相鄰容器上的伽瑪射線源和檢測器之間的串擾，導致效率降低和可能的錯誤讀數(shù)。 對于測量密度分布的問題，即，密度作為容器中的高度的函數(shù)，會發(fā)生類似問題。例如，當嘗試在單個容器上使用多個單元以便估算容納在容器中的流體的密度分布，尺寸限制和伽瑪射線源之間的串擾使現(xiàn)有技術(shù)不能產(chǎn)生準確且可靠的密度分布測量。對于安全性，由于關(guān)于放射性材料的迅速擴散和可能走私或者其它輸送的世界性的問題的增加，州、地區(qū)和國家政府基于可以存在于單個場所的放射性材料的總量來調(diào)節(jié)設(shè)備安全性要求。例如，得克薩斯州對于其中總居里數(shù)超過27居里的設(shè)備需要額外的安全措施(例如，本底檢查、可接近性等等)，其中總居里數(shù)基于設(shè)備的全部放射源的總和。因此，使用較大源以克服容器尺寸限制可能會導致需要用于安全性的額外費用的增加。因此，需要具有伽瑪射線密度計，該伽瑪射線密度計可以使用在較大容器上。另夕卜，需要具有一種非接觸式密度計，該非接觸式密度計需要較低強度的輻射源。另外，需要具有一種非接觸式密度計，該非接觸密度計可以測量除容器中單個位置處的密度之外的流體的密度分布。

發(fā)明內(nèi)容
通常，一方面，在此處公開的實施例涉及密度分布測量設(shè)備，該密度分布測量設(shè)備包括至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器，所述至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器被構(gòu)造成緊鄰容器定位，其中所述位置敏感型伽馬射線檢測器被構(gòu)造成獲得背散射伽馬射線計數(shù)分布。所述位置敏感型伽馬射線檢測器還被構(gòu)造成根據(jù)背散射伽馬射線計數(shù)分布確定過程容器中容納的流體的密度分布。通常，一方面，在此處公開的實施例涉及用于測量過程容器中的流體的密度分布的方法。所述方法包括以下步驟:將伽馬射線發(fā)射到流體中；和使用緊鄰所述容器設(shè)置的至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器獲得背散射伽馬射線計數(shù)分布。所述方法還包括根據(jù)背散射伽馬射線計數(shù)分布確定過程容器中容納的流體的密度分布，其中所述位置敏感型伽馬射線檢測器包括電離檢測器。通常，一方面，在此處公開的實施例涉及密度分布測量設(shè)備，所述密度分布測量設(shè)備包括被構(gòu)造成緊鄰容器定位的至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器。所述位置敏感型伽馬射線檢測器被構(gòu)造成獲得背散射伽馬射線計數(shù)分布和根據(jù)所述背散射伽馬射線計數(shù)分布確定過程容器中容納的流體的密度分布。位置敏感型伽馬射線檢測器還包括電離檢測器，所述電離檢測器包括電阻元件、連接到所述電阻元件的第一端的第一輸出接觸件和連接到所述電阻元件第二端的第二輸出接觸件，其中所述輸出接觸件被構(gòu)造成分別輸出第一輸出信號和第二輸出信號。通常，一方面，在此處公開的實施例涉及用于控制至少一個過程變量的過程控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括存儲器、可操作地連接到所述存儲器的處理器和存儲在所述存儲器中用于使所述處理器計算過程容器中容納的流體的密度分布的計算機可讀指令。根據(jù)背散射伽馬射線計數(shù)分布計算過程容器中容納的流體的密度分布。所述背散射伽馬射線計數(shù)分布由緊鄰所述容器設(shè)置的至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器獲得。通常，一方面，在此處公開的實施例涉及非瞬變計算機可讀介質(zhì)，該非瞬變計算機可讀介質(zhì)包括計算機可讀指令，所述計算機可讀指令用于使處理器根據(jù)由至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器獲得的背散射伽馬射線計數(shù)分布計算過程容器中容納的流體的密度分布。本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將從以下說明和所附權(quán)利要求變得清楚可見。


圖1顯示根據(jù)一個或多個實施例的密度分布測量設(shè)備的示意圖；圖2顯示根據(jù)一個或多個實施例的位置敏感型伽馬射線檢測器的示意圖的實例；圖3顯示根據(jù)一個或多個實施例的密度分布測量設(shè)備的示意圖；圖4A-B顯示根據(jù)一個或多個實施例的位置敏感型伽馬射線檢測器如何可以被安裝到容器；圖5顯示根據(jù)一個或多個實施例的位置敏感型伽馬射線檢測器如何可以被安裝到容器；圖6顯示根據(jù)一個或多個實施例的用于背散射伽馬射線檢測器的校準曲線；圖7A顯示根據(jù)一個或多個實施例的密度分布測量設(shè)備的示意圖；圖7B顯示根據(jù)一個或多個實施例的位置敏感型檢測器的模擬響應(yīng)；圖8A顯示根據(jù)一個或多個實施例的密度分布測量設(shè)備的示意圖；圖8B-C顯示根據(jù)一個或多個實施例的位置敏感型檢測器的模擬響應(yīng)；圖9顯示根據(jù)一個或多個實施例的流程圖；以及圖10顯示根據(jù)一個或多個實施例的系統(tǒng)。
具體實施例方式一方面，在此處公開的實施例涉及一種使用伽馬射線測量容器中的流體的密度分布圖的方法。在其他方面，在此處公開的實施例涉及一種用于使用伽馬射線測量容器中的流體的密度分布圖的設(shè)備。如在此使用的，“背散射”可以指伽馬射線從原始方向的偏轉(zhuǎn)。在一些實施例中，背散射可以是各向同性的，例如伽馬射線可以沿不同方向被任意散射。由于康普頓散射而可能發(fā)生背散射。如在此處使用的，“流體”是指可以容納在容器內(nèi)的氣體、液體和固體或者它們的混合物。流體可以包括水成液、有機液體、單相系統(tǒng)以及諸如泡沫、乳狀液和流態(tài)化顆粒的多相系統(tǒng)。如在此處使用，“密度分布圖”是指在多個位置處的流體的密度(即，作為位置的函數(shù))。例如，容器內(nèi)的流體的密度分布圖可以包括在容器內(nèi)的多個不同位置處的流體的密度。因此，如在此處使用的，位置敏感型檢測器是除了被構(gòu)造成測量單個點處的密度或者計數(shù)之外還被構(gòu)造成測量流體的密度分布的檢測器。此外，如在此處使用的，位置敏感型檢測器是被構(gòu)造成測量例如背散射伽馬射線的多個檢測事件，該多個檢測事件更通常地是指計數(shù)，同時位置敏感型檢測器還被構(gòu)造成輸出表示進行伽馬射線檢測的位置(絕對或者相對位置)的信號。此外，位置敏感型檢測器被構(gòu)造成測量相對于固定檢測器的位置在一定范圍內(nèi)的多個位置處的許多伽馬射線檢測事件的位置。換句話說，位置敏感型檢測器是被構(gòu)造成確定多個檢測事件的位置的檢測器。圖1顯示根據(jù)一個或多個實施例的密度分布測量設(shè)備的示意圖。所述密度分布測量設(shè)備101可以被構(gòu)造成測量容納在容器(不單獨顯示)內(nèi)的過程流體103的密度分布，該容器具有容器壁105。密度分布測量設(shè)備101包括伽馬射線源107和位置敏感型伽馬射線檢測器109。伽馬射線源107和位置敏感型伽馬射線檢測器109可以靠近所述容器的壁105連接或者安裝。根據(jù)在此處公開的一個或多個實施例，伽瑪射線源107可以使伽馬射線111穿過容器壁105發(fā)射到過程流體103中并發(fā)射到位于過程流體103上方的流體115中。流體115可以例如是空氣或者來自過程流體103的蒸汽，或者與過程相關(guān)的任何其它氣體、液體和固體或者它們的混合物。發(fā)射的伽馬射線111可以從過程流體103和115背散射，而背散射的伽馬射線113可以隨后在例如位置敏感型伽馬射線檢測器109上的X和X'位置處被檢測。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到容器的內(nèi)容物可以比I中所示的簡單實例更復雜。例如，過程流體103可以包括不同密度的多種流體并且所述流體可以是單獨的和/或被混合的。圖2顯示根據(jù)一個或多個實施例的位置敏感型伽馬射線檢測器的示意圖的實例。更具體地，圖2顯示被構(gòu)造成作為比例計數(shù)器的電離檢測器201的實例，該比例計數(shù)器采用電阻元件(resistive element)(例如，陽極配線)，該電阻元件被構(gòu)造成用于電荷分配讀出。電離檢測器201可以包括電壓電源203、電離室205和檢測器電子模塊207。電離室205還包括電阻元件213、電極209、負荷電阻217，219和DC阻斷裝置220，221。電壓電源203可以被構(gòu)造成將高壓(例如千伏范圍內(nèi))提供到電阻元件213。電極209可以被保持在低壓，優(yōu)選地接地(即，0V)。電離室205可以被構(gòu)造成通過使用兩個輸出信號的峰值電壓(即輸出脈沖)沿電阻元件213確定伽馬射線的檢測位置X，該兩個輸出信號的峰值電壓通過位于電阻元件端部的接觸件223和225處的檢測器電子模塊207測量，如下所述。根據(jù)一個或多個實施例，電離室205可以具有圓柱體形狀，并且電極209具有基本上為圓柱形的形狀，電阻元件213沿圓柱體的中心軸線放置。電壓電源203將電壓(千伏范圍內(nèi))提供到電阻元件213，同時電極209優(yōu)選地接地(例如0V)。因此，電場從電阻元件213基本上徑向向外引導至電極209的內(nèi)表面。此外，通過電極209的內(nèi)表面限定的圓柱形體積可以用例如氙(Xe)氣或類似物質(zhì)的電絕緣材料填充。根據(jù)一個或多個實施例，電阻元件213可以由諸如鎳鉻合金、錳銅合金、康銅、不銹鋼或類似材料的電阻材料制成。根據(jù)一個或多個實施例，所述電阻材料的電阻率可以具有從5 X 10_7 Q m到2 X 10_6 Q m的范圍。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到被選擇用于電阻元件的精確材料和電阻率可以基于具體應(yīng)用和例如靈敏度、穩(wěn)定性、成本等的設(shè)計考慮而變化。此外，負荷電阻217和219可以分別連接在電壓電源203和兩個接觸件223和225之間。根據(jù)一個或多個實施例，電離室的長度可以在6英寸到6英尺的范圍內(nèi)。然而，特定應(yīng)用可以要求該范圍之外的不同長度。此外，根據(jù)一個或多個實施例，電離室的直徑可以在2英寸到0.5英寸的范圍內(nèi)。然而，特定應(yīng)用可以要求該范圍之外的不同直徑。以下參照圖2說明根據(jù)一個或多個實施例的電離檢測器201的操作。當入射的伽馬射線與氙氣相互作用時，該氣體中產(chǎn)生一個或多個離子。產(chǎn)生的離子數(shù)量取決于入射的伽馬射線的能量，其中產(chǎn)生的離子的數(shù)量隨伽馬射線能量的增加而增加。在發(fā)生電離之后不久，離子響應(yīng)于位于電離室內(nèi)的電場移動，其中正離子和負離子被沿相反的方向朝向帶相反電荷的電極拉動。離子最終在電極209和電阻元件213處被中和，從而產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移到所述電極的離子的數(shù)量成正比的離子電流。因此，氙氣中的電離由于來自氙原子的伽馬射線的散射而建立臨時導電通路227，該臨時導電通路在伽馬射線的電離位置處連接電極209和電阻元件213。因此，具有用于離子電流(即輸出信號)的兩個通路以流到地面。因為這兩個通路并聯(lián)連接，所以在每一個通路中的離子電流的大小與相應(yīng)通路的總電阻成反比。第一輸出信號通路傳送與第一通路的總電阻成反比的由R+P (x/L)給出的電流Iy其中P是電阻元件213的總電阻，L是電阻元件213的總長度，X是當測量電阻元件213的一端時伽馬射線感應(yīng)電離的位置，并且R是負荷電阻217和219的電阻。第二輸出信號通路傳送與第二通路的總電阻成反比的由R+P (1-x/L)給出的電流IK。因此，伽馬射線檢測的位置X可以根據(jù)存在于兩個接觸件223和225處的兩個電壓的比較來確定。例如，存在于兩個接觸件223和225處的兩個電壓之間的比由以下公式給出:
權(quán)利要求
1.一種密度分布測量設(shè)備，包括: 至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器，所述位置敏感型伽馬射線檢測器被構(gòu)造成緊鄰過程容器定位， 其中，所述位置敏感型伽馬射線檢測器被構(gòu)造成獲得背散射伽馬射線計數(shù)分布，并根據(jù)所述背散射伽馬射線計數(shù)分布確定所述過程容器中容納的流體的密度分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密度分布測量設(shè)備，還包括: 至少一個伽馬射線源，所述至少一個伽馬射線源被構(gòu)造成將伽馬射線發(fā)射到所述流體中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密度分布測量設(shè)備，其中，所述位置敏感型伽馬射線檢測器還包括電離檢測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的密度分布測量設(shè)備，其中，所述電離檢測器填充有電絕緣材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的密度分布測量設(shè)備，其中，所述電離檢測器被構(gòu)造成作為位置敏感型比例計數(shù)器操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的密度分布測量設(shè)備，其中，所述位置敏感型伽馬射線檢測器被構(gòu)造成采用電荷分配讀數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的密度分布測量設(shè)備，其中，所述電離檢測器還包括: 電阻元件； 第一輸出接觸件，所述第一輸出接觸件連接到所述電阻元件的第一端；和 第二輸出接觸件，所述第二輸出接觸件連接到所述電阻元件的第二端， 其中，所述第一輸出接觸件和所述第二輸出接觸件被構(gòu)造成分別輸出第一輸出信號和第二輸出信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的密度分布設(shè)備，還包括: 檢測器電子模塊，所述檢測器電子模塊被構(gòu)造成根據(jù)第一輸出信號和第二輸出信號的比較確定背散射伽馬射線的檢測位置， 其中，所述第一輸出信號從所述第一接觸件輸出，而所述第二輸出信號從所述第二接觸件輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的密度分布設(shè)備，其中，所述電子模塊還被構(gòu)造成根據(jù)下述公式確定所述檢測位置: Vr{r +1)-廠!尺 X = L卜」 P。
vl+vr
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的密度分布設(shè)備，其中，所述檢測器電子模塊還被構(gòu)造成通過計算所述檢測位置處的背散射伽馬射線計數(shù)分布的斜率來測量所述容器中的一位置處的流體密度。
11.一種用于測量過程容器中的流體的密度分布的方法，所述方法包括以下步驟: 將伽馬射線發(fā)射到所述流體中； 使用緊鄰所述容器設(shè)置的至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器獲得背散射伽馬射線計數(shù)分布；和根據(jù)所述背散射伽馬射線計數(shù)分布確定所述過程容器中容納的流體的密度分布， 其中，所述位置敏感型伽馬射線檢測器包括電離檢測器，所述電離檢測器包括: 電阻元件； 連接到所述電阻元件的第一端的第一輸出接觸件；和 連接到所述電阻元件的第二端的第二輸出接觸件， 其中，所述輸出接觸件被構(gòu)造成分別輸出第一輸出信號和第二輸出信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述獲得背散射伽馬射線計數(shù)分布的步驟還包括: 根據(jù)第一輸出信號和第二輸出信號的比較確定背散射伽馬射線的檢測位置， 其中，所述第一輸出信號從所述第一輸出接觸件輸出，而所述第二輸出信號從所述第二輸出接觸件輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，使用所述第一輸出信號和所述第二輸出信號確定背散射伽馬射線的檢測位置根據(jù)以下公式進行:
14.根據(jù)權(quán)利要求12所 述的方法，其中，所述確定所述密度分布的步驟還包括: 計算在所述檢測位置處測量的背散射伽馬射線計數(shù)分布的斜率。
15.—種密度分布測量設(shè)備,包括: 至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器，所述位置敏感型伽馬射線檢測器被構(gòu)造成緊鄰容器定位， 其中，所述位置敏感型伽馬射線檢測器被構(gòu)造成獲得背散射伽馬射線計數(shù)分布，并根據(jù)所述背散射伽馬射線計數(shù)分布確定過程容器中容納的流體的密度分布， 其中，所述位置敏感型伽馬射線檢測器還包括: 電離檢測器，所述電離檢測器包括: 電阻元件； 連接到所述電阻元件的第一端的第一輸出接觸件和連接到所述電阻元件的第二端的第二輸出接觸件， 其中，所述輸出接觸件被構(gòu)造成分別輸出第一輸出信號和第二輸出信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的密度分布測量設(shè)備，還包括: 檢測器電子模塊，所述檢測器電子模塊被構(gòu)造成利用所述第一輸出信號和所述第二輸出信號之間的關(guān)系確定背散射伽馬射線的檢測位置。
17.一種用于控制至少一個過程變量的過程控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 存儲器； 處理器，所述處理器能夠操作地連接到所述存儲器；和 計算機可讀指令，所述計算機可讀指令存儲在所述存儲器中，用于使所述處理器根據(jù)背散射伽馬射線計數(shù)分布計算過程容器中容納的流體的密度分布，所述背散射伽馬射線計數(shù)分布通過緊鄰所述容器設(shè)置的至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器獲得。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的過程控制系統(tǒng)，還包括:存儲在所述存儲器中的計算機可讀指令，所述計算機可讀指令用于使所述處理器根據(jù)計算的密度分布改變所述至少一個過程變量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的過程控制系統(tǒng)，其中，所述過程變量是過程密度、過程水位和過程密度分布中的至少一個。
20.一種非瞬變計算機可讀介質(zhì)，所述非瞬變計算機可讀介質(zhì)包括計算機可讀指令，所述計算機可讀指令用于使處理器根據(jù)背散射伽馬射線計數(shù)分布計算過程容器中容納的流體的密度分布，所述背散射伽馬射 線計數(shù)分布通過至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器獲得。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量過程容器中的流體的密度分布的方法。所述方法包括以下步驟將伽馬射線發(fā)射到所述流體中；和利用緊鄰所述容器設(shè)置的至少一個位置敏感型伽馬射線檢測器獲得背散射伽馬射線計數(shù)分布。所述方法還包括根據(jù)背散射伽馬射線計數(shù)分布確定過程容器中容納的流體的密度分布。
文檔編號G01N23/203GK103115933SQ20121046500
公開日2013年5月22日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者亞歷克斯·庫利克, 亞歷山大·約瑟夫·葉辛, 尼古拉·巴圖林, 蘇沃·森, 邁克爾·喬治·布羅索 申請人:思姆菲舍爾科技公司